Análise interdisciplinar do som vocálico com simulações e softwares acústicos

Interdisciplinary analysis of vowel sounds using simulations and acoustic software

Resumo

Este trabalho apresenta uma proposta interdisciplinar que articula conceitos de Física e Linguística por meio do estudo das propriedades físicas do som e da análise acústica da fala. Utilizando a simulação Ondas Sonoras da plataforma PhET Interactive Simulations e o software Praat, os estudantes exploraram parâmetros como frequência, amplitude, intensidade e formantes vocálicos. A atividade promoveu a visualização das ondas sonoras, a coleta e análise de dados reais da voz e a compreensão do modelo fonte-filtro. Os resultados evidenciaram diferenças significativas entre as vogais e entre vozes masculinas e femininas, confirmando tendências descritas na literatura e permitindo relacionar aspectos físicos, fisiológicos e linguísticos. A experiência demonstrou o potencial de metodologias ativas e de ferramentas digitais para favorecer a aprendizagem significativa, a integração entre áreas do conhecimento e a formação crítica no ensino de Ciências.

Palavras-chave:
Biofísica; Ensino de Ciências; Linguagem; Praat; PhET.

Abstract

This paper presents an interdisciplinary proposal that integrates concepts from Physics and Linguistics through the study of the physical properties of sound and the acoustic analysis of speech. Using the Sound Waves simulation from the PhET Interactive Simulations platform and the Praat software, students explored parameters such as frequency, amplitude, intensity, and vowel formants (F1 and F2). The activity promoted the visualization of sound waves, the collection and analysis of real voice data, and the understanding of the source-filter model. The results highlighted significant differences between vowels and between male and female voices, confirming trends reported in the literature and enabling connections among physical, physiological, and linguistic aspects. The experience demonstrated the potential of active learning methodologies and digital tools to foster meaningful learning, the integration of knowledge areas, and critical training in Science Education.

Keywords:
Biophysics; Science Education; Language; Praat; PhET.

1. Introdução

A abordagem interdisciplinar constitui um eixo central no ensino superior contemporâneo, sobretudo na formação de professores, pois possibilita a articulação entre diferentes campos do saber e contribui para o desenvolvimento de competências complexas necessárias à compreensão da realidade [¹]. Ao romper com a fragmentação tradicional do conhecimento, práticas interdisciplinares favorecem a construção de aprendizagens mais significativas, conectadas ao cotidiano e às demandas da sociedade contemporânea [²].

No ensino de Física, a interdisciplinaridade representa uma estratégia potente para tornar os conteúdos mais relevantes e atrativos. Tópicos como as ondas sonoras, tradicionalmente tratados sob uma perspectiva estritamente física ou matemática, podem ganhar nova dimensão quando articulados a outras áreas, como a Linguística e a Fonoaudiologia, proporcionando ao estudante compreender além do fenômeno físico, também sua aplicação concreta na comunicação humana [³]. Essa conexão contribui para ampliar a visão de ciência, deslocando-a de um campo abstrato para um espaço de diálogo com problemas e situações reais.

A voz humana, por exemplo, é um objeto de estudo que ilustra de forma exemplar essa integração. Do ponto de vista físico, a fala pode ser descrita como resultado da propagação de ondas sonoras, moduladas por frequências, amplitudes e ressonâncias específicas. Já na perspectiva linguística, a produção de vogais e consoantes envolve processos articulatórios e acústicos que podem ser mensurados e comparados, permitindo compreender como diferentes sons são percebidos e distinguidos em uma língua [⁴, ⁶]. A análise acústica, ao revelar parâmetros como os formantes vocálicos (F1 e F2), fornece uma ponte concreta entre Física e Linguística, enriquecendo a compreensão dos estudantes. O primeiro formante (F1) está relacionado à abertura da boca, enquanto o segundo (F2) depende da posição da língua na cavidade oral e representam os picos de energia no espectro de frequências.

Neste contexto, o presente trabalho descreve uma proposta de ensino que integra conceitos de acústica e fonética por meio do uso de tecnologias educacionais digitais, como a simulação “Ondas Sonoras” da plataforma PhET Interactive Simulations[⁷] e o software Praat [⁸], amplamente utilizado em análises fonéticas.

A proposta pedagógica apresentada está estruturada, contendo perguntas orientadoras, etapas didáticas e procedimentos práticos e foi planejada de modo a desenvolver a compreensão conceitual de ondas sonoras, frequência, amplitude e formantes vocálicos por meio da experimentação digital, da análise de dados reais e da discussão crítica entre os participantes. Ainda que voltada ao ensino superior, a proposta apresenta potencial de adaptação para o ensino médio e outros contextos formativos interdisciplinares, oferecendo uma abordagem inovadora para o ensino de Ciências e Linguagem.

2. Metodologia

A metodologia adotada neste estudo foi organizada em três etapas complementares. Inicialmente, os estudantes realizaram uma exploração conceitual utilizando a Ondas Sonoras da plataforma PhET [⁷]. Essa atividade (Figura 1) possui guia para o professor e folha de trabalho para os estudante e pode ser acessada em [⁹], permitiu aos estudantes explorar conceitos de frequência e amplitude antes da gravação de suas próprias vozes, respondendo questões de previsão sobre frequência e amplitude, bem como a comparar os sons de diferentes vogais.

Figura 1
Primeira página do Guia do Professor, da atividade para exploração conceitual utilizando a Ondas Sonoras da plataforma PhET. Fonte: Captura de tela própria, 2025.

O objetivo foi estimular a observação das alterações na forma de onda em função das variações de tom e intensidade vocal. A estratégia de uso coletivo da simulação contemplou momentos de exploração livre, seguidos de atividades guiadas em que toda a turma discutiu, em tempo real, os efeitos observados ao modificar parâmetros como frequência, amplitude e timbre. Esse procedimento favoreceu a construção compartilhada do conhecimento, pois cada estudante pôde testar hipóteses individualmente e, em seguida, confrontá-las com as descobertas dos colegas no debate coletivo. Além disso, a socialização dos resultados intermediários em plenária contribuiu para que a turma compreendesse de forma colaborativa as relações entre os modelos físicos e os fenômenos sonoros observados na simulação.

Na sequência, procedeu-se à etapa de coleta e análise de dados com o software Praat [⁸]. Para isso, os estudantes realizaram gravações das sete vogais fonéticas em contexto tônico do português brasileiro: /u/ como em pulo, /i/ como em vi, /e/ como em vê, /ɛ/ como em pé, /a/ como em pá, /ɔ/ como em avó, /o/ como em avô, /u/ como em nu, seguindo um protocolo previamente estabelecido para análise acústica. Em cada caso, foram medidos os valores médios dos formantes F1 e F2, permitindo uma caracterização quantitativa das diferenças entre os sons vocálicos produzidos pelos falantes.

Por fim, foi realizada a sistematização e discussão dos resultados. Os dados coletados individualmente foram organizados em planilhas e, em seguida, calculadas as médias para cada vogal. Esses resultados foram comparados a valores descritos na literatura especializada [¹⁰] e discutidos coletivamente em sala. O debate foi orientado por questões que abordaram as diferenças acústicas entre vogais, a diversidade de vozes e a aplicabilidade dos conhecimentos em distintas áreas, como fonoaudiologia, linguística, tecnologia e ensino de Ciências.

3. Referencial Teórico

O som, do ponto de vista físico, é uma onda mecânica longitudinal que se propaga no ar com velocidade média de $v\approx 343\text{m/s}$, caracterizada por parâmetros como frequência, amplitude e intensidade [¹¹]. A frequência é dada por:

(1) $$f=\frac{1}{T},$$

sendo $T$ o período, corresponde ao número de oscilações por segundo e está diretamente relacionada à altura do som percebido; já a amplitude ($A$) refere-se à energia transportada, associada à sensação de volume. A intensidade, definida como energia transmitida por unidade de área e tempo,

(2) $$I=\frac{P}{A},$$

onde $P$ é a potência da onda. Em termos da amplitude da pressão sonora $p_{\text{max}}$, tem-se

(3) $$I\text{=}\frac{p^2\text{max}}{\text{2}\rho v}\text{,}$$

onde $\rho$ é a densidade do meio e $v$ a velocidade de propagação. Em acústica, costuma-se expressar a intensidade sonora em termos do nível de intensidade sonora, uma grandeza logarítmica definida por

(4) $$\beta =10{\log }_{10}\left(\frac{I}{I_0}\right),$$

em que $I$ é a intensidade sonora e $I_0={10}^{-12}{\text{W/m}}^2$ corresponde ao limiar de audibilidade humana. É importante destacar que o decibel (dB) não é uma unidade de intensidade, mas sim a unidade do nível de intensidade sonora, que é uma grandeza construída para facilitar a descrição de fenômenos acústicos.

A utilização da escala logarítmica permite representar de forma compacta uma faixa extremamente ampla de intensidades medidas fisicamente – cerca de 12 ordens de grandeza, do limiar auditivo ao limiar da dor, próximo de $1{\text{W/m}}^2$[³]. Além disso, essa formulação está alinhada ao comportamento aproximadamente logarítmico da percepção sonora no ouvido humano, permitindo que valores variando entre 0 dB e 120 dB representem de maneira conveniente o intervalo típico de audição [⁵].

Essas propriedades podem ser compreendidas pelo modelo de ondas harmônicas, no qual a oscilação das partículas do meio é descrita por

(5) $$y(x,t)=A\sin (kx\text{-}\omega t+\phi ),$$

onde $k=\frac{2\pi }{\lambda }$ é o número de onda, $\omega =2\pi f$ a frequência angular e $\phi$ a fase inicial. Essa expressão descreve um movimento oscilatório das partículas do meio e representa variações espaciais e temporais(Figura 2).

Figura 2
Movimento oscilatório das partículas do meio. Fonte: Própria, 2025.

A energia associada a uma onda se distribui entre componentes cinética, proveniente da oscilação, e potencial, associada às deformações elásticas, cuja soma resulta na densidade total de energia transportada:

(6) $$u=\frac{1}{\text{2}}\rho {\omega }^2{A}^2.$$

Para fins didáticos, a simulação Ondas Sonoras da plataforma PhET Interactive Simulations (Figura 3) constitui um recurso relevante, pois permite visualizar em tempo real como alterações em frequência e amplitude modificam a forma da onda, a intensidade sonora e a percepção auditiva. Essa visualização possibilita ao estudante relacionar conceitos abstratos da Física a fenômenos observáveis, aproximando teoria e prática.

Figura 3
Captura de tela da simulação Ondas Sonoras da plataforma PhET Interactive Simulations. Fonte: Própria, 2025.

Na interface com a Linguística, a fonética e a fonologia são áreas complementares da linguística que investigam os sons da fala. Enquanto a fonética se dedica ao estudo físico e acústico dos sons, descrevendo suas propriedades articulatórias e acústicas, a fonologia analisa como esses sons se organizam em um sistema de contrastes e funções dentro de cada língua.

No caso das vogais, por exemplo, a fonética acústica permite caracterizar parâmetros como a frequência dos formantes ($F_1,F_2,F_3,\dots$), que são picos de energia no espectro de frequências [⁶, ¹²], ao passo que a fonologia descreve a distribuição e o papel distintivo desses sons no português brasileiro. A Figura 4 a seguir, conhecida como carta de vogais do IPA (International Phonetic Association) [¹³], apresenta a disposição aproximada das vogais tônicas do português brasileiro em um espaço acústico-articulatório, as linhas horizontais representam a anterioridade da língua, ou seja, se ela está retraída ou alongada. A linha vertical representa a abertura da mandíbula, ou seja, quanto mais aberta a boca, a vogal está localizada mais abaixo na linha.

Figura 4
Vogais tônicas do português brasileiro. Fonte: Própria, baseada no mapa do IPA, 2025.

A descrição das vogais parte de uma ideia simples: a língua se move dentro da boca em posições previsíveis, e essas posições criam diferenças auditivas estáveis. A língua pode subir ou descer, ficando alta, média ou baixa, e pode avançar ou recuar, ficando anterior, central ou posterior. Cada vogal ocupa um ponto específico nesse espaço articulatório.

Esse espaço de articulação tem correspondência direta com a acústica da fala. Quando a língua está mais baixa, a abertura da boca aumenta, o que eleva os valores do primeiro formante (F1). Quando a língua se move para a frente, aproximando-se dos dentes, o segundo formante (F2) cresce, porque o trato vocal frontal fica menor. Assim, vogais abertas tendem a ter F1 mais alto, enquanto vogais anteriores costumam apresentar F2 mais elevado.

O mapa vocálico serve justamente para visualizar essa relação entre posição articulatória e comportamento acústico, permitindo compreender de forma didática por que cada vogal soa como soa e como se diferencia das demais.

No modelo fonte-filtro, a fonte corresponde às vibrações das cordas vocais, cuja frequência fundamental é

(7) $$f_0=\frac{1}{T_0},$$

enquanto o trato vocal funciona como um sistema ressonante, reforçando frequências específicas que resultam nos formantes. A relação aproximada entre o comprimento $L$ do trato vocal e os formantes pode ser expressa por

(8) $$Fn\approx \frac{\left(2n-1\right)v}{4L},n=1,2,3,...$$

A produção da fala humana pode ser explicada pelo modelo fonte-filtro, no qual a fonte corresponde às vibrações das cordas vocais, responsáveis pela frequência fundamental da voz, e o filtro ao trato vocal – incluindo faringe, cavidade oral e nasal – que atua como sistema ressonante, reforçando ou atenuando determinadas frequências e gerando os formantes que distinguem vogais e a singularidade de cada voz [³].

Na Figura 5 podemos visualizar os componentes do sistema que produz a fala e o modelo fonte-filtro. Homens apresentam geralmente frequências fundamentais mais baixas ($\sim$125 Hz) devido à maior massa das cordas vocais, enquanto mulheres tendem a ter frequências mais altas ($\sim$250 Hz) [⁴].

Figura 5
Modelo fonte-filtro para geração da fala. Fonte: Própria, 2025. Baseada em Duran, 2011, p. 128.

A fala resulta da interação complexa entre respiração, vibração das cordas vocais e modulação das cavidades ressonantes e articuladores – como palato mole, língua, lábios e dentes – permitindo a produção de fonemas concretos, palavras e frases com os ritmos característicos de cada idioma (Figura 6).

Figura 6
Representação esquemática dos componentes do sistema que produz a fala. Fonte: Própria, 2025.

Essas variações espectrais tornam a fala um fenômeno complexo e único, influenciado por fatores fisiológicos, sociolinguísticos e culturais [⁴]. A análise acústica, ao medir parâmetros como $F_1$ e $F_2$, permite descrever de forma objetiva tais diferenças, sendo aplicada em áreas como fonoaudiologia, ensino de línguas, fonologia e reconhecimento automático de fala. Ferramentas computacionais, como o software Praat, tornam esse processo acessível em contextos educacionais, possibilitando que os estudantes visualizem e analisem dados reais da produção vocal.

Dessa forma, a integração entre Física e Linguística, ao unir conceitos de ondas sonoras, ressonância e produção vocal, fortalece uma abordagem interdisciplinar que favorece a compreensão científica e crítica dos fenômenos da fala. Essa articulação permite que os estudantes percebam a voz humana não apenas como manifestação comunicativa, mas também como objeto de investigação científica que ilustra a interface entre natureza, linguagem e tecnologia.

4. Resultados e Discussão

Para fazer a análise acústica utilizamos o software Praat, que permite visualizar espectros de frequência e identificar os formantes das vogais (Figura 7).

Figura 7
Espectro de frequência de uma vogal obtido com o software Praat. Observam-se os formantes característicos (F1, F2) que permitem distinguir diferentes sons vocálicos. Fonte: Própria, 2025.

A análise acústica das vogais registradas pelos participantes revelou variações consistentes com a literatura fonética [⁴, ⁶, ¹²]. Os valores médios de F1 e F2 para cada vogal foram calculados e estão apresentados na Tabela 1, juntamente com suas respectivas médias.

Tabela 1
Valores médios de F1 e F2 das vogais analisadas. Em azul, de falantes homens; em rosa, de falantes mulheres; em verde, entre todos os participantes.

	(F1)	(F2)	(F1)	(F2)	(F1)	(F2)	(F1)	(F2)	(F1)	(F2)	(F1)	(F2)	(F1)	(F2)
Falante	i	i	e	e	ɛ (é)	ɛ (é)	a	a	ɔ (ó)	ɔ (ó)	o	o	u	u
4	286	2030	359	1975	489	1775	715	1315	583	944	428	1563	362	1489
5	366	2194	391	2138	573	1875	1084	1358	650	1140	490	1722	393	1815
6	327	1815	408	1830	497	1804	684	1343	639	1314	454	1572	412	1682
9	441	1963	1117	2282	678	2111	1118	1734	785	1130	554	1117	445	1645
10	363	2005	555	1842	410	1967	785	1555	635	1181	432	1283	404	1710
1	387	1806	496	2231	639	1912	1093	1675	785	1320	548	1118	537	1868
2	508	2042	480	2201	658	2138	1224	1643	718	1177	526	1283	530	1712
3	495	1879	515	1999	712	1932	997	1635	837	1168	616	1057	514	1601
7	428	2201	464	2134	614	1971	1159	1645	703	1170	536	1024	565	1168
8	487	1868	442	2521	551	2137	891	1537	562	1297	498	1452	419	1599
11	558	2244	627	2317	793	1905	1127	1654	884	1287	698	1119	567	1515
	(F1)	(F2)	(F1)	(F2)	(F1)	(F2)	(F1)	(F2)	(F1)	(F2)	(F1)	(F2)	(F1)	(F2)
Falante	i	i	e)	e	ɛ (é)	ɛ (é)	a	a	ɔ (ó)	ɔ (ó)	o	o)	u	u
Média	356,6	2001,4	443,6	2013,4	529,4	1906,4	877,2	1461,0	658,4	1141,8	471,6	1451,4	403,2	1668,2
Média	477,2	2006,7	504,0	2233,8	661,2	1999,2	1081,8	1631,5	748,17	1236,5	570,3	1181,0	522,0	1577,2
Média Geral	416,9	2004,05	473,8	2123,6	595,3	1935,2	979,5	1546,3	703,3	1189,2	521,0	1316,2	462,6	1622,7

• Fonte: Elaboração própria, 2025.

De modo geral, observou-se que a vogal /i/ apresentou valores baixos de F1 e elevados de F2, indicando uma articulação fechada e anterior. Em contraste, a vogal /a/ exibiu os maiores valores de F1 e valores médios de F2, coerentes com sua articulação aberta e centralizada. As vogais posteriores, como /o/ e /u/, apresentaram valores baixos de F2, confirmando o recuo da língua na cavidade oral.

O histograma de comparação das médias dos formantes F1 e F2 entre homens e mulheres evidencia diferenças acústicas significativas relacionadas às características fisiológicas do trato vocal (Figura 8).

Figura 8
Comparação das médias dos formantes F1 e F2 entre homens (azul) e mulheres (vermelho). Fonte: Própria, 2025.

A diferença entre os valores de F1 e F2, denominada distância acústica, revelou-se um parâmetro importante para a caracterização das vogais. No português brasileiro, [i] é uma vogal anterior e alta. Isso significa que a língua fica muito elevada e bem avançada, perto dos dentes. Essa configuração estreita o espaço frontal do trato vocal, o que deixa o F1 menor (porque a boca está pouco aberta) e eleva bastante o F2 (porque a língua está na frente). Já [a] é uma vogal baixa e central, a língua desce, aumentando a abertura da boca, e também não avança nem recua. Essa maior abertura eleva o F1, enquanto a posição mais central faz com que o F2 fique intermediário. Como foi mostrado na Figura 4.

Por fim, [u] é uma vogal posterior e alta. A língua sobe novamente, reduzindo a abertura da boca, mas agora recuada, próxima ao véu palatino. A elevação mantém o F1 baixo, mas o recuo do corpo da língua reduz o F2, já que o espaço frontal do trato vocal aumenta.

Assim, a combinação entre altura da língua (que regula o F1) e anterioridade ou posterioridade (que regula o F2) explica por que [i] tem F1 baixo e F2 alto, [a] tem F1 alto e F2 médio, e [u] apresenta F1 baixo e F2 baixo.

A dispersão dos dados individuais é representada no espaço acústico F1 × F2 (Figura 9), evidenciando o agrupamento das vogais em regiões distintas.

Figura 9
Gráfico de dispersão F1 $\times$ F2 das vogais. Cada ponto azul representa a razão F1/F2. Fonte: Própria, 2025.

Os resultados também evidenciam diferenças entre os sexos: vozes femininas apresentaram, em geral, valores mais elevados de F1 e F2, compatíveis com a menor massa das pregas vocais e o trato vocal mais curto [³].

Do ponto de vista pedagógico, a combinação entre a simulação “Ondas Sonoras” (PhET) e a análise acústica no Praat favoreceu a compreensão do modelo fonte-filtro, promovendo maior engajamento e conectando conceitos físicos à Linguística.

Assim, a atividade cumpriu seu objetivo interdisciplinar ao conectar teoria e prática, ciência e linguagem, demonstrando que a análise vocal é um recurso valioso tanto para o ensino de Física quanto para o de Linguística.

5. Conclusão

A proposta apresentada neste trabalho demonstrou o potencial das abordagens interdisciplinares ao articular conceitos de Física, Linguística e Fonoaudiologia por meio do estudo acústico das vogais do português brasileiro. A combinação entre simulação PhET e a análise de gravações reais no software Praat possibilitou aos estudantes compreender, de maneira integrada, aspectos físicos, fisiológicos e linguísticos envolvidos na produção da fala. Essa articulação favoreceu a visualização de fenômenos abstratos, como frequência, amplitude, intensidade e formantes vocálicos, aproximando-os de situações concretas do cotidiano, especialmente no contexto da comunicação humana.

Os resultados revelaram padrões coerentes com a literatura fonética, como a relação entre abertura e anterioridade da vogal e seus respectivos valores de F1 e F2, além das diferenças sistemáticas entre vozes masculinas e femininas decorrentes de características fisiológicas do trato vocal. Esses achados reforçam a validade da metodologia empregada e evidenciam o potencial das ferramentas digitais para promover análises significativas mesmo em ambientes educacionais com recursos limitados.

Do ponto de vista pedagógico, a atividade contribuiu para o desenvolvimento da aprendizagem ativa, permitindo que os estudantes formulassem hipóteses, manipulassem parâmetros, interpretassem dados e relacionassem diferentes modelos teóricos. Essa integração fortalece a autonomia intelectual e amplia a compreensão dos fenômenos sonoros, ao mesmo tempo em que estimula uma visão crítica da ciência, entendida como um processo dinâmico, interdisciplinar e conectado à linguagem e à tecnologia.

Como encaminhamento futuro, recomenda-se a ampliação da proposta para incluir comparação entre diferentes dialetos do português brasileiro, bem como a adaptação da atividade para o ensino médio, considerando seu potencial de contextualização e engajamento. Dessa forma, este trabalho reafirma que a análise acústica da fala, aliada a recursos digitais interativos, constitui uma estratégia valiosa para enriquecer o ensino de Física, Linguística e áreas afins.

Agradecimentos

Agradecemos à Universidade Estadual da Região Tocantina do Maranhão (UEMASUL) pelo apoio financeiro, aos estudantes participantes e ao PhET Interactive Simulations pelo programa PhET Fellow.

Disponibilidade de Dados

Todo o conjunto de dados que suporta os resultados deste estudo foi publicado no próprio artigo.

Referências

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Editado por

• Editor-Chefe:
  Marcello Ferreira https://orcid.org/0000-0003-4945-3169

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  06 Mar 2026
• Data do Fascículo
  2026

Histórico

• Recebido
  29 Set 2025
• Revisado
  02 Dez 2025
• Aceito
  14 Jan 2026